沸石粉部分替代粉煤灰对混凝土性能的影响研究

□□ 黄 瑶,唐伟桐,甘元初,侯庆振 (南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001)

引言

沸石广泛分布于世界各地,矿床数量有1 000多个,种类丰富,现有统计已达40余种,在我国已发现近400处沸石矿床,主要分布在黑龙江、浙江、广西和海南等21省,总储量在30亿t左右[5]。沸石粉由天然沸石研磨而成,呈白色或淡绿色,与传统矿物掺合料相比,具有产量大、易开采和价格低廉的优势,不少学者用沸石粉直接代替水泥制备混凝土。曹雄[6]研究发现,拌合初期沸石粉因其多孔结构会吸附环境中的游离水导致混凝土坍落度和流动性减小,杜文瀚等[7]、谭多枝等[8]和Mahadeb D等[9]研究表明,沸石粉与常见的硅灰、粉煤灰、矿渣等矿物掺合料一样具有火山灰活性,可以与水泥水化产物Ca(OH)2产生二次火山灰效应,保证混凝土的后期强度。朱珊等[10]研究表明,掺入沸石粉后混凝土的抗压强度与抗折强度随着沸石粉掺量的增加呈现先增大后降低的趋势,其中沸石粉含量为10%～20%时混凝土抗压强度会有所提高。Zadeh P M等[11]的试验表明,沸石掺入量为10%的混凝土试样抗压强度和抗弯强度分别提高了3.7%和17.85%。也有学者对沸石粉与其他矿物掺合料的复掺开展了研究,刘业金[12]试验表明复掺沸石粉和玻璃粉会降低混凝土的早期抗压强度,但可提高其后期抗压强度。明阳等[13]在对沸石粉-石灰石粉复掺的试验中,得出制备混凝土的适宜配合比。

学者们积极开展了寻找替代粉煤灰作辅助胶凝材料的研究,沸石粉具有良好的经济性和适用性。现将以沸石粉替代粉煤灰,研究不同替代率下掺沸石粉混凝土的施工性能和力学性能,并在适宜替代率基础上,探究不同水胶比对其力学性能的影响,为沸石粉取代粉煤灰作为辅助胶凝材料提供理论依据和实践参考。

1 试验

1.1 原材料

水泥:选用南方牌P·O 42.5水泥(C)。

粉煤灰:F类Ⅱ级粉煤灰(FA)。

沸石粉(ZP):河南巩义生产,白色粉末,比表面积为500～800 m2·kg-1,满足I级标准。

水泥、粉煤灰及沸石粉的主要化学成分见表1。

粗骨料:粒径为5～20 mm的连续级配碎石。

细骨料:Ⅱ区机制砂,细度模数为2.8。

减水剂:聚羧酸系高效减水剂,产地为湖南省,减水率25%左右。

水:标准自来水。

1.2 配合比

为研究沸石粉部分替代粉煤灰对混凝土的影响,以粉煤灰占总胶凝材料20%为基准组(质量分数,下同),砂率固定为40%,设计了3个沸石粉替代率和3组水胶比,配合比见表2。其中,沸石粉等质量取代粉煤灰的掺量分别为20%、40%和60%;水胶比依次为0.38、0.41和0.44。

表2 混凝土配合比设计

由于外加剂掺量对掺沸石粉混凝土影响较大,故水胶比为0.38时设置了A和B两组外加剂掺量进行对比,A组外加剂掺量固定为胶凝材料的1.00%;B组随沸石粉替代率逐渐升高,其掺量依次为1.10%、1.15%、1.20%和1.30%。

1.3 试验方法

当沸石粉替代率变化时,通过调整外加剂掺量保证混凝土坍落度范围为160～200 mm,以外加剂掺量为主要因素评估施工性能。混凝土坍落度测试按照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行测试。抗压强度和劈裂抗拉强度依据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行测试。试件尺寸为100 mm×100 mm×100 mm立方体,自然养护1 d后,移至温度为20 ℃、相对湿度为95%的标准养护室,立方体抗压试验和劈裂抗拉试验龄期为3 d、7 d、28 d,每3个为一组,取其平均值,共计养护216个试件。

2 结果与分析

2.1 沸石粉替代率对工作性能的影响

沸石粉替代率对工作性能的影响如图1所示。图1(b)为不同沸石粉取代率的混凝土达到坍落度要求。由图1(a)试验结果可知,随着沸石粉取代率的增加,混凝土的坍落度逐渐下降,这是由于沸石粉的多孔结构会在拌和过程中吸附拌和用水。在较低替代率下,混凝土坍落度损失不大,试验中低掺量的沸石粉还提高了混凝土的粘聚性;但是当替代率达到60%时,混凝土的坍落度损失加剧,与初始坍落度相差约40 mm。为使混凝土的坍落度保持在同一水平,且粘聚性、流动性保持良好,在较低替代率下,随着替代率每增加20%,外加剂掺量增幅为0.05%;替代率≥60%时,外加剂掺量增幅应适当增大但不宜>0.1%。这是因为随着沸石粉替代率的增加,相应的粉煤灰掺量也会减少,粉煤灰对工作性能的改善效果随之减弱,这也表明沸石粉对坍落度的负面影响大于粉煤灰的正面改善效果,为使混凝土保持良好的施工性能,工程中需对外加剂掺量加以控制。

图1 沸石粉替代率对工作性能的影响

2.2 沸石粉替代率对抗压强度的影响

沸石粉替代率对混凝土抗压强度的影响如图2所示。从图2中可以看出,在不同的水胶比组别中,随着替代率的增加,抗压强度总体呈下降趋势。与ZP0相比,ZP20、ZP40及ZP60的3 d和7 d抗压强度损失显著,下降幅度均在10%～15%。这说明沸石粉替代粉煤灰会导致混凝土早期强度下降,可能是因为沸石粉的活性未能充分发挥,不能抵消其带来的负面影响。但当达到标准龄期后,ZP20抗压强度与ZP0比较基本持平或稍有下降,降幅<3%;ZP40强度相比ZP0大体相当甚至有所提高;呈现这种现象是因为随着水化反应的进行,一方面是得益于沸石粉独特的多孔格架状构造带来的大内比表面积,使其内部的活性成分SiO2和Al2O3易于与胶凝体系充分接触,且沸石粉在前期拌合过程中吸收的水分会缓慢释放出来,可促进胶凝体系的持续水化,混凝土内部的自养护可充分发挥材料的活性[14],提高强度;另一方面是沸石粉与水泥水化产物Ca(OH)2产生火山灰反应,生成可提高混凝土强度的水化硅酸钙胶凝体[15],增益水化过程并增加水化产物数量,进而提高了后期强度。

图2 沸石粉替代率对抗压强度的影响

替代率>40%时,ZP60强度降低幅度陡增,较ZP0强度损失>10%。这可能是因为沸石粉过量取代了粉煤灰,其占总胶凝材料的比例>10%,相应的胶凝体系中活性更高的熟料矿物占比减少,沸石粉的火山灰效应此时已不能弥补这部分损失。另外,沸石粉含量偏多,可能会导致混凝土的孔隙率增长,对混凝土抗压强度产生不利影响[16]。

2.3 沸石粉替代率对劈裂抗拉强度的影响

沸石粉替代率对混凝土劈裂抗拉强度的影响如图3所示。由图3可以看到,随着沸石粉替代率的增加,劈裂抗拉强度的变化规律亦大致呈下降趋势,不同水胶比强度变化规律情况略微有些不同,这可能是由于配合比的变化。其中ZP40的劈裂抗拉性能较好,其28 d强度普遍高于ZP0基准组或略微下降。而当替代率升至60%时,强度显著下降,与其在抗压强度上的表现相同,机理与抗压强度在替代率较大时一致。从图3中还可以看到,混凝土的3 d与7 d强度没有同龄期的抗压强度差距大,说明在养护前期混凝土的劈裂抗拉强度发展缓慢。这可能是因为沸石粉参与水化过程较慢,在早龄期混凝土中骨料与胶凝材料、砂浆的粘结程度较低。

图3 沸石粉替代率对劈裂抗拉强度的影响

2.4 沸石粉替代率对拉压比的影响

拉压比是表征混凝土脆性的重要指标,拉压比越大,其延性与韧性更好[17]。各组试块的7 d与28 d拉压比试验结果见表3。由表3可以看出,随着沸石粉替代率的增加,早龄期拉压比均有所提升,而随着龄期增长,不同替代率的混凝土拉压比与ZP0基准组差别不大,但ZP60拉压比较ZP0出现小幅降低。这说明沸石粉替代粉煤灰可以增大早龄期拉压比,提高混凝土的早期韧性;在后期沸石粉掺量过大出现拉压比下降的现象。这可能是由于硬化后混凝土孔隙率增大,对混凝土的劈裂抗拉强度造成负面影响。

表3 混凝土拉压比试验结果

2.5 水胶比对沸石粉混凝土力学性能的影响

不同水胶比对沸石粉取代40%粉煤灰的混凝土力学性能影响如图4所示。从图4中可知,沸石粉取代粉煤灰混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度均随水胶比的增加而不断下降。3 d和7 d强度变化规律为:水胶比每增大0.03,抗压强度下降约15%,劈裂抗拉强度下降10%左右;养护到标准龄期28 d时,水胶比为0.38、0.41和0.44的抗压强度分别是49.4 MPa、43.8 MPa和38.6 MPa,劈裂抗拉强度分别为2.85 MPa、2.91 MPa和2.61 MPa,其中ZP40-0.41的劈裂抗拉强度过高,应为试验操作失误所致。不难看出,达标准龄期后由水胶比增大造成的强度损失减小,原因可能是沸石粉随龄期增长充分参与了二次水化过程。一般情况下,水胶比较小时混凝土中含水量较少,而沸石粉吸附的拌合用水会缓慢释放出来弥补水分的丧失,调节内部环境,促进水化反应,保证强度的发展;当水胶比较大时,游离水会相应增多,此时强度损失减小,这与沸石粉可作为自动调节湿度的调湿材料有关[18]。

图4 水胶比对混凝土力学性能的影响

3 结论

3.1 随着沸石粉替代率的增加,混凝土的坍落度逐渐下降,粘聚性有所上升。为使混凝土的坍落度保持在同一水平,在较低替代率下,随着替代率每增加20%,外加剂掺量可进行0.05%的增幅;替代率≥60%时,外加剂掺量增幅应适当增大但不宜>0.1%。

3.2 沸石粉替代率≤40%时,混凝土早期抗压强度与劈裂抗拉强度下降,但标准养护28 d后,强度与基准组差异不大,可满足使用要求;当沸石粉代率达60%,混凝土的28 d力学性能显著下降,下降幅度>10%。

3.3 沸石粉替代粉煤灰可以增大混凝土早龄期拉压比,提高混凝土的早期韧性,但在标准龄期,替代率超60%会导致拉压比小幅下降,对劈裂抗拉强度产生不利影响。

3.4 沸石粉取代粉煤灰混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度,随水胶比的增加而不断下降,其影响程度随龄期增长逐渐减弱。